退火工艺中浮法玻璃缺陷及控制

退火工艺中浮法玻璃缺陷及控制河南理工大学 张战营一、玻璃的退火 玻璃退火的目的是减弱和防止玻璃制品中出现过大的残余内应力和光学不 均匀性，稳定玻璃内部的结构。玻璃的退火可分成两个主要过程：一是玻璃中内应力的减弱或消失，二是防 止内应力的重新产生。玻璃中内应力的减弱和消除是以松弛理论为基础的，所谓 内应力松弛是指材料在分子热运动的作用下使内应力消散的过程，内应力的松弛 速度在很大程度上决定于玻璃所处的温度。玻璃在加热或冷却过程中，由于其导热性较差，在其表面层和内层之间必然 产生温度梯度，因而在内外层之间产生应力。这种由于温度梯度存在而产生的内 应力称为温度应力或热应力，此种内应力的大小，既取决于玻璃中的温度梯度， 又与玻璃的热膨胀系数有关（玻璃的化学成分决定玻璃的热膨胀系数）。热应力按其存在的特点可分为暂时应力和永久应力。暂时应力，当玻璃受不均匀的温度变化时产生的热应力，随着温度差的存在 而存在，随温度差的消失而消失，被称为暂时应力。应力的建立和消失过程。当制品冷却开始时，因为玻璃的外层冷却速度快， 所以外部温度比内部温度低，外层收缩大，而这时内层温度较高，且力求阻碍外 层收缩，这样造成玻璃外层产生张应力，内部产生压应力。在张应力过渡到压应 力之间存在着中间层，其应力值为零。当冷却接近结束时，外层体积几乎不再收 缩，但此时玻璃内部仍有一定的温度，其体积力求收缩，此时造成外部受压应力， 内层受张应力。由此可见，在冷却结束时，产生的应力恰好和冷却开始时产生的 应力性质相反，两者可以得到部分抵消。冷却全部结束时，即当玻璃的外层温度 和内层温度趋向完全一致时，上述两种应力恰好抵消。我们称这种应力为暂时应 力。永久应力，当温度消失时（制品的表面和内部温度均等于常温时），残留在 玻璃中的热应力称为永久应力，又称为内应力。玻璃中永久应力的成因，是由于在高温的弹塑性阶段热应力松弛而形成的温 度变形被“冻结”下来的缘故。当玻璃板逐渐冷却到室温均衡时，玻璃中残存的 应力实际等于玻璃在高温阶段松弛掉的热弹应力，但方向相反。也就是说，玻璃 在高温区域产生及松弛的热弹应力在玻璃厚度方向表现为：表层张应力，内层压 应力，且大小相等；而当玻璃冷却至环境室温时，内外温度一致时，玻璃的表面 层处于压缩状态，玻璃板内层处于拉伸状态。因此，玻璃板中的永久内应力沿玻 璃板厚度方向分布为：表面为压应力，内层张应力，大小相等。由于永久应力最 终影响玻璃的切割和使用，因此需要严格控制。玻璃中永久内应力的大小决定于两个因素：一是冷却速度，二是玻璃在退火 温度下的冷却过程中热弹性应力的松弛速度，而松弛速度取决于玻璃热弹应力的 大小，热弹应力取决于冷却速度的大小，因此，玻璃退火的关键是如何正确的确 定和控制玻璃在高温退火区域内的均匀冷却速度。二、退火过程中常见工艺问题1. 玻璃带上下表面不对称冷却1.1 玻璃板在退火区域内的不对称冷却玻璃板处在退火区域中，如上下表面冷却强度不同，则当玻璃冷却到室温均 衡时，会引起应力分布不对称，压应力就会向冷得快的那一面偏移，冷却快（凉） 的表面受压应力，冷却慢（热）的表面受张应力，如果玻璃原片足够大，玻璃中 应力分布的不平衡必将引起变形弯曲或翘曲。若玻璃板的下表面比上表面冷 却得快，则压应力大的一边在下表面，板向上弯曲；反之，向下弯曲。若产生的 应力超过允许值时会发生炸裂。1.2 玻璃在退火区域温度以下不对称冷却玻璃在退火区域温度以下，上下表面冷却速度不一致，则会产生暂时应力， 冷却速度快（凉）的表面受张应力，冷却速度慢（热）的表面受压应力。2. 玻璃带横向温度不均匀2.1 温度横向对称分布的不均匀。温度对称于中心线分布，但边部比中部凉或边部比中部热。玻璃带宽度方向 有温差存在，同样也会产生热应力。当玻璃带边部比中部凉时，若处于退火温度区域，边部（凉）受压应力，中 部（热）受张应力；若玻璃处于退火温度之下，则边部（凉）受张应力，中部（热） 受压应力。当玻璃板边部比中部热时，则板面方向所受应力与上述相反。上面几种情况所产生的应力，可以用应力仪测量。通常也可以用手指来作定 性的检验，即在离切割机位置相当距离的地方，用两个或三个手指头将边部轻轻 抬起。如果边部成波状而且很容易被抬起，那么边部承受压应力，中部承受张应 力；如果边部很紧，而且不易被抬起，则边部承受张应力，而中部承受压应力。从所周知，玻璃的抗压强度比抗张强度约大十倍，所以玻璃板通常首先在承 受张应力的板面上发生破裂，然后裂纹可能继续向压应力区发展。因此，暂时应 力对玻璃破坏性最强，只要产生的张应力等于或稍大于玻璃的抗张强度，在没有 任何外力作用下，玻璃也会自行破裂。2.2 玻璃板横向温度不对称分布的不均匀玻璃板横向温度不对称分布，即玻璃板面两边部冷却速度不相同，而引起一 边温度高一边温度低，而使板面应力分布也不对称。若处于退火温度区域，同样 凉边变长受压应力，热边变短受张应力，玻璃带会向热的一边偏移走偏；若玻璃 处于退火温度之下，则凉边受张应力，热边受压应力，暂时应力超过允许值时出 现炸裂。这时，玻璃板面的理论应力值是不能测量的，因为一部分应力由于变形而消 除了。玻璃带离开退火区域，可以比较快的速度进行冷却，因玻璃不会再产生水久 应力了。但必须指出，此时如果冷却速度过快，或横向温差太大，则会产生过大 的暂时应力或应力分布不平衡而使玻璃在退火窑中破裂，这是在实际生产中经常 发生的。2.3 结论综上所述，在退火温度范围内，玻璃带横向温度的不均匀，当玻璃冷却到室 温时，将产生永久应力，在退火窑中板面较热部分是处在受张状况，较冷的部分 是处在受压状况。在退火温度范围而以下，板面较热部分是处在受压状况，较冷 的部分是处在受张状况，从对玻璃造成破裂的情况来看，玻璃带在退火区域以下， 两边冷得太快要比中部冷得快更为不利，因此必须加以防止。这种情况往往是由于辊子两端轴头漏进冷空气所造成。因此，轴头密封是至关重要的。三、实际退火操作中玻璃缺陷的分析与处理1. 纵向炸裂A. 外观现象玻璃带边子很紧，很难用手把玻璃带从棍子上提起。与玻璃 带拉引方向趋于平行的炸裂，这种纵裂一直可以回升到退火窑进口端。纵裂纹头 一般是逆向于玻璃带运动方向延伸。炸裂一般是从边部开始。B. 产生原因 玻璃在冷却过程中，由于横向温度梯度不均匀（温差），使边 部区域出现收缩变短的趋势，中部会对边部产生防止收缩的逆向力，玻璃带边部 受到张应力，而在玻璃带边部收缩变短的同时，又会对中部区域施加防止伸长的 逆向力，使玻璃带中部区域受到压应力。玻璃所受张力超过玻璃强度时，会发生纵裂。由于玻璃的抗压强度比抗张强度高10倍，因此在边部呈张力的情况下，边 部本身在任何一种弱点（如结石、析晶等）的作用下，边部首先破裂。玻璃在退火过程中，出现上述的宽度方向应力分布有两种可能：玻璃在退 火下限以前，玻璃带边部冷却速度比中间慢。玻璃在退火下限后，玻璃带边部 冷却速度比中间快。因纵裂又可以分为不同情况和现象，下面针对每一种现象给予论述并给出措 施。1.1边部纵炸a. 外观现象：如图7 1所示，发生在最靠近玻璃带边部区， 炸纹较直。b. 产生原因：炸裂呈裂纹状，一般是因冷却区炸裂处炸裂 的一侧张应力过大。 炸裂呈裂缝状，缝隙较大，一般是因退火区域炸裂一侧产生了过大的张 应力。c. 措施:对原因，减小炸裂处冷却区（或上一冷却区域）炸裂侧的冷却强度。对原因，增加炸裂处退火区域内炸裂侧边部的冷却强度。1.2中间炸裂0T-2a. 外观现象 如图7 2所示，炸裂发 生在中间区域，裂纹相对较直，呈龟裂状或者 裂缝状，裂缝较大。b. 产生原因这是因玻璃带中部区域处于较高的压应力 所致。c. 措施：对裂纹状纵裂，增加炸裂处冷却区（或前一冷却区）内中间区域 的冷却强 度。对裂缝状纵裂，在退火区内降低裂缝处中间区域的冷却强度。a.外观现象女口图7 3和图7 4 ，图7 31.3不规则炸裂图7 4b. 产生原因 一般是因炸裂处的冷却区（或上一冷却区）内控制不稳，造 成冷却区的温度场在局部出现大幅度波动所致，因炸裂形状有明显的纵炸趋势, 把它归为纵炸的一种。c. 措施 稳定冷却区系统控制。 在措施的基础上，再根据实际情况分别采取图7 1,图7 2的措施。1.4蛇形炸裂图T5a. 外观现象 如图7 5所示，该炸裂为蛇形炸 裂，炸裂的裂纹呈明显的波浪式蛇形纹，持续时间长, 炸裂的末端相对于退火窑位置固定，炸裂末端一般不 会偏斜使炸裂纹头向边部发展。b. 产生原因 该炸裂是由于玻璃带在前部的退火区受到了较强的冷却，产 生了较强的永久应力。玻璃呈现了相当程度的“钢化”纵炸倾向。c. 措施 在退火区或退火区前，使玻璃带宽度方向整体温度升高，同时还 要使中间比边部多升几度。1.5 纵炸最有效的应急措施a. 延伸至退火窑封闭区（A-C区）内的炸裂，可在炸裂的上游玻璃带上放 置一块石棉板或约1.5m左右的木板条，以防止纵炸进一步延伸。b. 处在退火窑Ret区以后（包括Ret区）纵裂，可以先将风阀全关，使玻 璃瞬时升温，而后快速将风阀全开使玻璃带受急冷，采用这种方法可快速地将纵 裂纹移向玻璃带的一边使其中断。c. 纵裂制止后，可依照图71、图7-2及图75的处理措施对症处理。2、横向炸裂A. 外观现象：玻璃带边子很松，用手很容易把玻璃带从辊道上提起，肉眼 可观察到边部明显的变形。在某些极端场合，甚至可听到边松，波浪变形拍打辊 子的响声。B. 产生原因：a. 在退火或永久应力区域（温度高于450°C），如果玻璃带边部比中间凉， 会形成轻薄或柔韧的边部（松边）。b. 在冷却或暂时应力区域（温度450C ）如果玻璃带边部比中间热，会形 成轻薄或柔韧的边部（松边）。c. 松边使玻璃带的边部趋向于比玻璃带中部长的趋势，这时，中部会防止 边子变长，从而使边部受到压应力。反之，边子会使中部变长，中部区域受到张 应力。当玻璃中出现弱区（如结石、析晶等）或玻璃中的应力超过自身强度时， 横炸就会发生。玻璃在退火下限以前，玻璃带边部冷却速度比中间快。d. 产生上述宽度方向应力分布有两种可能： 玻璃在退火下限以前，玻璃带边部冷却速度比中间快。 玻璃在退火下限以后，玻璃带边部冷却速度比中间慢。e. 实际生产中的横向炸裂多因冷却区的暂时应力所致下面针对每一种具体横向炸裂情况，给出相应的措施2.1横向单裂a. 外观现象：如图7-6所示，裂纹接近于直线型.图6b. 产生原因一般是因玻璃带进入退火窑前期边 缘存在的微裂纹或存在的应力所致，主要原因有：在 锡槽中，边部接触异物，如挡边器等；偶然出现在边 缘的小气泡；板中结石。c. 措施 炸裂是由退火以外的因素造成的，无需 在退火方面米取措施.2.2 丫型横裂a. 外观现象 如图7-7所示，炸裂呈丫字型。在 炸裂前，分支侧玻璃板往往出现波浪形，炸裂后的一 段时间内，波浪形消失，一段时间后，变形又重新出 现，炸裂再次发生。b. 产生原因：是由于玻璃板炸裂产生分支的一侧 存在较大的压应力.c. 措施 在炸裂区及前一冷却区分别增加裂纹分支侧的冷却强度. 如果措施的效果不理想，可在退火区进行反方向（相对于冷却区的调整 方法）调整2.3 X型横裂图T8a. 外观现象：如图7-8所示，炸裂呈X型.b. 产生原因：是由于玻璃带两侧均存在较大的 压应力所致.c. 措施 在炸裂区及前一冷却区分别增加两边部的冷却强度或减小中部区域的冷 却强度。 如果措施效果部不明显，可在退火区进行反方向（相对于冷却区的调整方法）